Исполнительные механизмы систем управления

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА – Российский технологический университет» РТУ МИРЭА ЛЕКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Исполнительные механизмы систем управления (наименование дисциплины (модуля) в соответствии с учебным планом) Уровень бакалавриат (бакалавриат, магистратура, специалитет) Форма обучения очная (очная, очно-заочная, заочная) Направление(-я) подготовки 09.03.02 Информационные системы и технологии (код(-ы) и наименование(-я)) Институт ИКБиСП Институт комплексной безопасности и специального приборостроения (полное и краткое наименование) Кафедра Аппаратного, программного и математического обеспечения вычислительных систем (полное и краткое наименование кафедры, реализующей дисциплину (модуль)) Лектор ст. преподаватель Борисов Сергей Петрович (сокращенно – ученая степень, ученое звание; полностью – ФИО) Используются в данной редакции с учебного года 2018/19 (учебный год цифрами) Проверено и согласовано «____» ________20___г. (подпись директора Института/Филиала с расшифровкой) Москва 2018 г. Введение Известно, что более чем за четыре тысячелетия до новой эры в Вавилоне и Египте уже проводили астрономические измерения. На протяжении всей истории перед человеком возникало множество проблем, для решения которых необходимо было располагать количественной информацией о том или ином свойстве объекта материального мира (явления, процесса, тела, вещества, изделия и пр.). Основной способ получения такой информации – измерения, при правильном выполнении которых находят результат, отражающий интересующие свойства объекта познания. Измерения играют важнейшую роль в жизни человека. Можно сказать, что прогресс науки и техники определяется степенью совершенства измерений и измерительных приборов. По этому поводу Макс Планк сказал: «В физике существует только то, что можно измерить». Основы отечественной метрологии заложил русский ученый Д.И. Менделеев (1834 – 1907 гг.). Роль и значение измерений он определял так: «В природе мера и вес суть главное орудие познания. Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры». История развития техники электрических измерений связана с именами русских ученых М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана, которые в 40-х гг. XVIII в. сконструировали первый в мире электроизмерительный прибор и назвали его указателем электрической силы. Внедрение техники радиотехнических измерений обусловлено развитием систем радиосвязи и радиоэлектроники. Существенное внимание данным вопросам уделял крупнейший русский ученый, изобретатель радио А.С. Попов. Основоположником отечественной радиоизмерительной техники считается академик М.В. Шулейкин, организовавший в 1913 г. первую заводскую лабораторию по производству радиоизмерительных приборов. Чтобы успешно справляться с многочисленными и разнообразными проблемами измерений в числительных системах, современному специалисту необходимо освоить ряд общих принципов их решения, определить единую научную и законодательную базу, обеспечивающую на практике высокое качество измерений независимо от того, где и с какой целью они выполняются. Распределение объема дисциплины Семестр Объем (в акад. час.) Формы текущего контроля успеваемости Формы промежуточной аттестации Всего Контактная работа (по видам учебных занятий) СР Контроль Всего ЛК ЛБ ПР 6 108 44 16 12 16 46 18 Зачет Лекция № 1. Аппаратное обеспечение и устройства вычислительных систем и сетей Продолжительность лекции: 2 часа 1.1 Ключевые (Основные) вопросы (моменты) • Аналоговая и цифровая обработка данных • Микроконтроллеры и микропроцессоры в периферийных устройствах. 1.2 Текст лекции Аналоговые и цифровые методы обработки информации. В электронных устройствах существуют два основных способа обработки информации: аналоговый и цифровой. При аналоговом способе обработки информации каждой переменной величине в системе ставится в соответствие один из плавно меняющихся параметров определенного участка электрической цепи (ток, напряжение, частота и т.д.). Функциональные зависимости между различными переменными в системе реализуются путем построения соответствующих электрических цепей. Простейшие функциональные зависимости можно реализовать на основе законов функционирования элементарных пассивных элементах электрической цепи: - для резистора INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-_ZZYdU.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-_ZZYdU.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-_ZZYdU.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-_ZZYdU.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-_ZZYdU.png" \* MERGEFORMATINET ; - для конденсатора INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-tMaG_5.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-tMaG_5.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-tMaG_5.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-tMaG_5.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-tMaG_5.png" \* MERGEFORMATINET ; - для индуктивности INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-2X2CA4.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-2X2CA4.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-2X2CA4.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-2X2CA4.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-2X2CA4.png" \* MERGEFORMATINET . Принципиальной особенностью аналогового способа обработки информации является возможность плавного в известных пределах) изменения величин электрических сигналов, соответствующих переменным системы. Все преобразования осуществляются практически мгновенно. При цифровом способе обработки информации каждой переменной величине в системе ставится в соответствие ее цифровой код. Функциональные зависимости в системе реализуются путем непосредственного решения уравнений системы теми или иными численными методами по заранее заложенной программе. Устройство, реализующее это решение называется процессором. Микропроцессор- программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной (или нескольких) интегральной схемы с высокой степенью интеграции электронных элементов. Уменьшение стоимости, потребляемой мощности и габаритных размеров, повышение надежности и производительности микропроцессоров способствовали значительному расширению сферы их использования. Наряду с традиционными вычислительными системами они все чаще стали использоваться в задачах управления. При этом перед микропроцессором ставились задачи программного управления различными периферийными объектами в реальном масштабе времени. Упрощенная структурная схема микропроцессорной системы управления имеет вид (рис.1.1) INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-HK6jKB.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-HK6jKB.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-HK6jKB.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-HK6jKB.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-HK6jKB.png" \* MERGEFORMATINET Рисунок 1.1 - Упрощенная схема микропроцессорной системы управления На процессор возлагается задача выполнения всех программных действий, необходимых в соответствии с алгоритмом работы устройства. В блоке памяти хранятся команды программы функционирования процессора, а также значения констант и переменных величин, участвующих в вычислениях. Блок ввода-вывода выполняет функцию сопряжения микропроцессорной системы с объектом управления. Широкое использование микропроцессорной техники именно для задач управления привело к появлению на рынке специализированных микропроцессорных устройств, ориентированных на подобного рода применения. Особенностью этих микросхем является то, что помимо собственно процессора, на этом же кристалле расположена и система ввода-вывода, что позволяет снизить функциональную сложность и габаритные размеры микропроцессорной системы управления. Подобные устройства называются микроконтроллерами. Микроконтроллер - вычислительно-управляющее устройство, предназначенное для выполнения функций логического контроля и управления периферийным оборудованием, выполненное в виде одной БИС и сочетающее в себе микропроцессорное ядро и набор встроенных устройств ввода-вывода. Первыми микроконтроллерами явились микросхемы семейства MCS-48 фирмы INTEL, выпущенные в 1976 году. В 1981 году фирма INTEL выпустило новое семейство 8-разрядных микроконтроллеров MCS-51, которые получили огромное распространение во всем мире и дали толчок бурному развитию микроконтроллеров. вслед за фирмой INTEL микроконтроллеры начинают выпускать и другие ведущие производители микропроцессорной техники. Фирма MOTOROLA выпустила самый популярный в мире 8-разрядный микроконтроллер M68HC05. Эволюция микроконтроллеров соответствовала общему прогрессу микропроцессорной техники. Увеличивалась разрядность микроконтроллеров, их быстродействие, усовершенствовалась встроенная система ввода-вывода. Отличительной особенностью цифровых систем управления является дискретизация сигнала по уровню, величина которой определяется разрядностью производимых вычислений. Так, в случае 8-разрядной системы, весь диапазон изменения значения сигнала делится на 256 участков и цифровой код, соответствующий этому сигналу может принимать лишь одно из 256 значений. Это, очевидно, накладывает ограничение на точность цифровой системы управления. Вследствие этого, долгое время в прецизионных системах продолжали (и в ряде случаев продолжают) использовать аналоговые методы обработки информации. Проведем сравнительный анализ. Пусть в аналоговой системе некоторый сигнал, в амплитуде которого заложена информация, может изменяться в пределах от 0 до 10 В (рис.1.2). Уровень шума при этом не превышает 1 мВ. Для достоверной передачи информации, исключающей влияние шумов, минимальное приращение сигнала должно составлять как минимум 1 мВ. Т.о., с помощью подобного сигнала можно передать INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-QXRYv9.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-QXRYv9.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-QXRYv9.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-QXRYv9.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-QXRYv9.png" \* MERGEFORMATINET единиц информации. INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-aPDyK2.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-aPDyK2.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-aPDyK2.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-aPDyK2.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://studfiles.net/html/2706/47/html_Q8dfIJhpIR.X7vJ/img-aPDyK2.png" \* MERGEFORMATINET Рисунок 1.2 - Информационная составляющая аналогового сигнала Для передачи такого же количества информации в цифровом коде необходимо иметь разрядность как минимум 14 двоичных разрядов. Следовательно, цифровые системы с меньшей разрядностью будут уступать по точности описанной аналоговой системе. Однако, при наличии разрядности, большей чем 14 бит цифровая система может не только не уступать, но и превосходить по точности аналоговую поскольку ее параметры не изменяются с течением времени и не таких внешних факторов как температура, влажность и т.п., что в большой степени присуще практически всем аналоговым системам. Второй отличительной особенностью микропроцессорных систем является последовательное во времени выполнение команд процессором. Все команды, каждая из которых имеет конечное время выполнения, исполняются последовательно, одна за другой. Следовательно, от момента начала выполнения алгоритма до получения конечного результата проходит некоторый интервал времени. Это отрицательно сказывается на быстродействии цифровых систем, и , в частности, на области устойчивости и полосе пропускания цифровых систем управления. Однако, процесс повышения быстродействия микропроцессорных устройств идет неуклонно вперед и в настоящее время существуют микропроцессоры, минимальное время выполнения команды у которых достигает 5 нс. С помощью современных микропроцессоров уже сегодня возможно создавать системы управления с полосой пропускания в десятки и даже сотни Кгц. В свою очередь, аналоговые системы несмотря на практически мгновенное протекание сигналов также обладают конечным быстродействием из-за не идеальности компонентов и наличия паразитных реактивных связей в системе. Временные параметры цифровых систем, в отличие от аналоговых, не изменяются с течением времени и не зависят от внешних факторов. В настоящее время, благодаря всему вышеперечисленному идет полномасштабное внедрение микропроцессорной техники практически во все сферы деятельности, где еще вчера господствовали аналоговые методы обработки информации. В современной преобразовательной технике микроконтроллеры выполняют не только роль непосредственного управления полупроводниковым преобразователем за счет встроенных специализированных периферийных устройств, но и роль цифрового регулятора, системы защиты и диагностики, а также системы связи с технологической сетью высшего уровня. Устройство микроконтроллера (на примере микроконтроллеров фирмы Atmel) В современном МК много различных устройств, в каком-то типе больше, а в каком-то меньше, а кроме того, в разных МК эти устройства могут различаться по своим характеристикам. Но в МК есть то, что составляет его основу и присутствует во всех типах – процессорное ядро (микропроцессорная система – по аналогии с компьютером), которое состоит из трех основных устройств: 1. АЛУ – арифметико-логическое устройство (микропроцессор) которое выполняет все вычисления (выполняет нашу программу). 2. Память -предназначена для хранения программ, данных, а также любой другой нужной нам информации. 3. Порты ввода – вывода. Это выводы МК с помощью которых он общается с «внешним миром». При передаче информации МК выставляет на своих выводах соответствующие логические уровни (0 или 1). При приеме информации МК считывает с этих выводов логические уровни, которые выставлены внешним устройством. В зависимости от модели МК в нем могут присутствовать дополнительные или, как еще говорят – периферийные устройства. Все периферийные устройства работают сами по себе, т.е. отдельно от процессора МК и не мешают выполнению программы. Когда периферийное устройство выполнит свою работу, оно может об этом сообщить процессору, а может и не сообщать – зависит от нашего желания, сами потом посмотрим на результаты. Аналоговый компаратор. Присутствует во всех моделях МК. Аналоговый компаратор – устройство сравнения. Основная задача компаратора – это сравнение двух напряжений: одно из них – образцовое (с чем сравниваем), а второе – измеряемое (сравниваемое). Если сравниваемое напряжение больше образцового – компаратор вырабатывает сигнал логической единицы. Если сравниваемое напряжение меньше образцового – компаратор формирует на своем выходе логический ноль.  С помощью компаратора можно, к примеру, контролировать напряжение на заряжаемом аккумуляторе. Пока напряжение не достигнет нужного уровня, на выходе компаратора – логический ноль, как только напряжение аккумулятора достигло уровня нужного нам, компаратор вырабатывает логическую единицу, и значит можно завершить зарядку аккумулятора. АЦП – аналогово-цифровой преобразователь. Имеют не все МК. АЦП – преобразователь аналогового напряжения в цифровую форму. Аналоговое напряжение – это напряжение которое изменяется по напряжению во времени. Например – синусоидальный сигнал с выхода генератора частоты, напряжение в бытовой розетке, звуковой сигнал на колонках. АЦП постоянно анализирует на своем входе величину напряжения и выдает на своем выходе цифровой код, соответствующий входному напряжению. Примеры применения: • цифровой вольтметр или амперметр, • процессорный стабилизатор напряжения. МК, которые имеют АЦП, также имеют раздельное питание для цифровой и для аналоговой частей. Таймер/счетчик Присутствует во всех моделях МК, но в разных количествах – от 1 до 4, и с разными возможностями. Таймер/счетчик – это как бы два устройства в одном флаконе: таймер + счетчик. Таймер – устройство, которое позволяет формировать временные интервалы. Таймер представляет собой цифровой счетчик который считает импульсы или от внутреннего генератора частоты, или от внешнего источника сигнала. С помощью таймера/счетчика можно: • отсчитывать и измерять временные интервалы • подсчитывать количество внешних импульсов • формировать ШИМ-сигналы К примеру, мы хотим создать прибор позволяющий измерять частоту входного сигнала (частотомер). В этом случае мы можем использовать два счетчика/таймера. Первый будет отсчитывать временные интервалы равные 1 секунде, а второй будет считать количество импульсов за промежуток времени в 1 секунду которые отсчитывает первый таймер. Количество импульсов подсчитанное вторым таймером/счетчиком за 1 секунду будет равно частоте входного сигнала. ШИМ- широтно-ипульсный модулятор, предназначен для управления средним значением напряжения на нагрузке. ШИМ – один из вариантов работы таймера/счетчика, позволяющий генерировать на выходе МК прямоугольное импульсное напряжение с регулируемой длительностью между импульсами (скважностью), которое применяется в различных устройствах: • регулирование частоты вращения электродвигателя, • осветительные приборы, • нагревательные элементы Сторожевой таймер. Есть во всех моделях МК. Может быть включен или выключен по усмотрению программиста. У сторожевого таймера только одна задача – производить сброс (перезапускать программу) МК через определенный промежуток времени. При работе МК могут возникать различные ситуации при которых его нормальная работа будет нарушена (внешние помехи, дурацкая программа, за которую надо голову оторвать программисту). В таких случаях говорят, что МК «завис». При нормальной работе МК и включенном сторожевом таймере, программа должна периодически производить сброс сторожевого таймера (а периодический сброс мы должны сами предусмотреть в программе) еще до того, как он должен сработать и перезапустить МК. Если программа «зависла», то сброса сторожевого таймера не будет, и через определенный промежуток времени он перезапустит МК. Модуль прерываний. Прерывание – сигнал, сообщающий процессору о наступлении какого-либо события. При этом выполнение текущей программы приостанавливается и управление передается обработчику прерывания, который реагирует на событие и обслуживает его (выполняется программа, которую должен выполнить МК при наступлении соответствующего события – прерывания), после чего возвращается в прерванную программу. Прерывания бывают внутренние и внешние. Внутренние прерывания могут возникать при работе периферийных устройств МК (АЦП, компаратор, таймер и т.д.) Внешнее прерывание – событие, которое возникает при наличии сигнала на одном из специальных входов МК (таких специальных входов для внешних прерываний у МК может быть несколько). Пример. Внутреннее прерывание. Собрали на МК устройство, которое еще обладает и функцией зарядки резервного источника питания. МК выполняет свою основную программу, аналоговый компаратор в это время проверяет напряжение на аккумуляторе. Как только напряжение аккумулятора снизится ниже допустимого, компаратор вырабатывает сигнал процессору – прерывание, процессор останавливает выполнение основной программы и переходит к выполнению программы прерывания, вызванного компаратором – к примеру, включает схему зарядки аккумулятора, а затем возвращается к выполнению прерванной программы. Внешнее прерывание. Работа МК происходит также, как и при внутреннем прерывании, но вызываться оно может любым устройством, подключенным к специальному входу МК. 6. Интерфейсы и модули для передачи данных. Мы подробно рассматривать их будем только в том случае, если они потребуются для собираемой нами (в будущем) конструкции. Более подробно о них можно прочитать в популярной литературе. Последовательный периферийный интерфейс SPI Имеется во всех моделях МК. Мы его в 99,9 случаях из 100 применяем для программирования МК. Кроме программирования МК интерфейс SPI позволяет: • обмениваться данными между МК и внешними устройствами, • обмениваться данными нескольким МК между собой Универсальный приемопередатчик Имеют все модели МК, но разных типов: • USART • UART Предназначены для обмена данными по последовательному каналу. Последовательный двухпроводный интерфейс TWI Встречается только в серии Mega. Предназначен для обмена данными по двухпроводной линии. Всего к такой линии можно подключить до 128 устройств. TWI является полным аналогом интерфейса I2C. Лекция №2. Сопряжение и протоколы сопряжения измерительных и управляющих устройств Продолжительность лекции – 2 часа 2.1 Ключевые (Основные) вопросы (моменты) • Протокол I2C. • Кодирование в линиях передачи данных. • Передача данных в высокозашумленных средах. • Контроль над передачей телеметрических и управляющих сигналов 2.2 Текст лекции Основные шины микроконтролера. 1. Шина данных (Data Bus – по английски). 1. Шина данных — шина, предназначенная для передачи информации. Эта шина служит только для передачи различных данных между устройствами. Эта шина двунаправленная: по ней устройство может как передавать, так и принимать данные. МК семейства Tiny и Mega могут за один раз передать или принять восемь бит информации (бит – наименьшая единица измерения данных в цифровой технике, одна логическая единица или один логический ноль – это один бит информации) . Такая шина называется восьмиразрядной (иногда встречается название – восьмибитовая), а отсюда и сами МК – восьмиразрядными (если грубо, то можно сказать, что все устройства соединены жгутами из восьми проводов). Минимальная разрядность шины данных – 8 бит (меньше не бывает).Современные компьютеры имеют 64-разрядную шину данных. Разрядность шины данных всегда кратна 8 (восьмиразрядная, шестнадцатиразрядная, тридцатидвухразрядная…) 2. Шина адреса (Addr Bus – по английски). Шина адреса — шина, на которой в ходе выполнения программы выставляется адрес ячейки памяти, к которой в данный момент времени должен обратиться МК чтобы считать или следующую команду, или данные, или в которую необходимо записать данные. 3. Шина управления (Control Bus – по английски). Шина управления – шина, а точнее набор линий (проводников) по которым передаются управляющие сигналы с помощью которых определяется как будет происходить обмен информацией – или ее считывание из памяти, или запись в память, а также некоторые специальные сигналы – сигнал готовности, сигнал сброса. Небольшой пример работы шин. Необходимо записать число 60 в ячейку памяти: • на шине адреса выставляется адрес ячейки памяти в которую необходимо записать число • на шине управления выставляется сигнал записи • по шине данных передается число 60, которое записывается в выбранную ячейку памяти. Шины и интерфейсы. По способу передачи сигнала все шины можно разделить на последовательные и параллельные. Основным отличием параллельных шин от последовательных является сам способ передачи данных. Параллельные шины можно рассматривать как совокупность сигнальных линий (можно сказать что просто проводников), объединённых по их назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определённые электрические характеристики и протоколы передачи информации. Шины, как известно, используются для передачи данных от центрального процессора к другим устройствам персонального компьютера. Для того, чтобы согласовать передачу данных к отдельным компонентам, работающих на своей частоте, используется чипсет – набор контроллеров, конструктивно объединенных в Северный и Южный мосты. Северный мост отвечает за обмен информацией с оперативной памятью и видеосистемой, Южный – за функционирование других устройств, подключаемых через соответствующие разъемы – жесткие диски, оптические накопители, а также устройств, находящихся на материнской плате (встроенная аудиосистема, сетевое устройство и др. ), и для внешних устройств – клавиатура, мышь и т.д. • Шина данных — шина, предназначенная для передачи информации. В компьютерной технике принято различать выводы устройств по назначению: одни для передачи информации (например, в виде сигналов низкого или высокого уровня), другие для сообщения всем устройствам (шина адреса) — кому эти данные предназначены.На материнской плате шина может также состоять из множества параллельно идущих через всех потребителей данных проводников (например, в архитектуре IBM PC).Основной характеристикой шины данных является её ширина в битах. Ширина шины данных определяет количество информации, которое можно передать за один такт. • Шина адреса — компьютерная шина, используемая центральным процессором или устройствами, способными инициировать сеансы DMA, для указания физического адреса словаОЗУ (или начала блока слов), к которому устройство может обратиться для проведения операции чтения или записи.Основной характеристикой шины адреса является её ширина в битах. Ширина шины адреса определяет объём адресуемой памяти. Например, если ширина адресной шины составляет 20 бит, и размер слова памяти равен одному байту (минимальный адресуемый объём данных), то объём памяти, который можно адресовать, составляет 220 = 1 048 576байтов (1 Мбайт) как в IBM PC/XT. • Шина управления  — компьютерная шина, по которой передаются сиг­налы, определяющие характер обмена информацией по ма­гистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию (считывание или запись информации из памяти) нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д. В последовательных шинах используется одна сигнальная линия (возможно использование двух отдельных каналов для разделения потоков приёма-передачи). Соответственно, информационные биты здесь передаются последовательно. Данные для передачи через последовательную шину облекаются в пакеты (пакет – единица информации, передаваемая как целое между двумя устройствами), в которые, помимо собственно полезных данных, включается некоторое количество служебной информации: старт-биты, заголовки пакетов, синхросигналы, биты чётности или контрольные суммы, стоп-биты и т. п. В качестве примера приведем описание обмена для последовательного интерфейса RS-232 (рис.2.1) Данные передаются пакетами по одному байту (8 бит). Вначале передаётся стартовый бит, противоположной полярности состоянию незанятой линии, после чего передаётся непосредственно кадр полезной информации – 8 бит. Увидев стартовый бит, приемник выжидает интервал T1 и считывает первый бит, потом через интервалы T2 считывает остальные информационные биты. Последний бит — стоповый бит, говорящий о том, что передача завершена. Очень важно, чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковыми, допустимое расхождение - не более 10%. INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/life-prog/baza2/1375293362141.files/image037.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/life-prog/baza2/1375293362141.files/image037.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/life-prog/baza2/1375293362141.files/image037.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/life-prog/baza2/1375293362141.files/image037.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/life-prog/baza2/1375293362141.files/image037.gif" \* MERGEFORMATINET Рисунок 2.1 - Работа последовательной шины, формат данных RS-232 Последовательные шины – не обязательно значит «однобитные», здесь возможны и 2, и 8, и 32 бит ширины при сохранении присущей последовательным шинам пакетной передачи данных, то есть в пакете импульсов данные, адрес, другая служебная информация разделены на логическом уровне. Последовательные шины часто используют более чем два состояния линии (иногда дополнительные состояния используют для служебной информации). Малое количество сигнальных линий и логически более сложный механизм передачи данных последовательных шин оборачиваются для них существенным преимуществом – возможностью наращивания рабочих частот. Последовательный способ передачи имеет преимущество перед параллельным если длина линии превышает хотя бы несколько сантиметров. Кодирование сигналов При передаче цифровой информации с помощью цифровых сигналов применяется цифровое кодирование, управляющее последовательностью прямоугольных импульсов в соответствии с последовательностью передаваемых данных. При цифровом кодировании применяют либо потенциальные, либо импульсные коды. При потенциальном кодировании информативным является уровень сигнала. При импульсном кодировании используются либо перепады уровня (транзитивное кодирование), либо полярность отдельных импульсов (униполярное, полярное, биполярное кодирование). В отдельную группу импульсных кодов выделяют двухфазные коды, при которых в каждом битовом интервале обязательно присутствует переход из одного состояния в другое (такие коды позволяют выделять синхросигнал из последовательности состояний линии, то есть являются самосинхронизирующимися). Наиболее распространены следующие коды: • NRZ (Non-Return to Zero – без возврата к нулю) – потенциальный код, состояние которого прямо или инверсно отражает значение бита данных • дифференциальный NRZ – состояние меняется в начале битового интервала для “1” и не меняется при “0” • NRZI (Non-Return to Zero Inverted – без возврата к нулю с инверсией) – состояние меняется в начале битового интервала при передаче “0” и не меняется при передаче “1”. Используется в FDDI, 100BaseFX. • RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) – биполярный импульсный самосинхронизирующийся код, представляющий “1” и “0” импульсами противоположной полярности, длящимися половину такта (вторую половину такта состояния устанавливается в нулевое); всего используется три состояния • AMI (Bipolar Alternate Mark Inversion – биполярное кодирование с альтернативной инверсией) – используется три состояния: 0, “+“ и “–“, для кодирования логического нуля используется состояние 0, а логическая единица кодируется по очереди состояниями “+“ и “–“. Используется в ISDN, DSx. • Манчестерское кодирование (manchester encoding) – двухфазное полярное самосинхронизирующееся кодирование, логическая единица кодируется перепадом потенциала в середине такта от низкого уровня к высокому, логический ноль – обратным перепадом (если необходимо представить два одинаковых значения подряд, в начале такта происходит дополнительный служебный перепад потенциала). Этот принцип кодирования используется в Ethernet. • Дифференциальное манчестерское кодирование (differential manchester encoding) – двухфазное полярное самосинхронизирующееся кодирование, логический ноль кодируется наличием перепада потенциала в начале такта, а логическая единица – отсутствием перепада; в середине такта перепад есть всегда (для синхронизации). В Token Ring применяется модификация этого метода, кроме “0” и “1”, использующая служебные биты “J” и “K”, не имеющие перепада в середине такта (“J” не имеет перепада в начале такта, “К” – имеет). • MLT-3 – трехуровневое кодирование со скремблированием без самосинхронизации, логический ноль кодируется сохранением состояния, а логическая единица кодируется по очереди следующими состояниями: +V, 0, -V, 0, +V и т.д. Используется в FDDI и 100BaseTX. • PAM5 (Pulse Amplitude Modulation) – пятиуровневое биполярное кодирование, при котором каждая пара бит данных представляется одним из пяти уровней потенциала. Применяется в 1000BaseT. • 2B1Q (2 Binary 1 Quarternary) – пара бит данных представляется одним четвертичным символом, т.е. одним из четырех уровней потенциала. Применяется в ISDN. 1 1 1 1 NRZ Diff. NRZ NRZI RZ AMI Manchester Diff. Manch. MLT-3 2B1Q Рисунок 2.1. Способы цифрового кодирования данных 3 Лекция № 3. Сопряжение и протоколы сопряжения измерительных и управляющих устройств Продолжительность лекции – 2 часа 3.1 Ключевые (Основные) вопросы (моменты) • Протокол RS-232. • Кодирование в линиях передачи данных. • Передача данных в высокозашумленных средах. • Контроль над передачей телеметрических и управляющих сигналов 3.2 Текст лекции Интерфейсы сопряжения устройств Интерфейс — это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в системах при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. Мы не будем его комментировать, но советуем обратить внимание на все термины, использованные здесь. Невыполнение даже одного требования из перечисленных не позволит вам создать нечто действительно работоспособное, полезное и удобное. отношение стоимость/производительность. Синонимами термина "устройство сопряжения" являются термины "адаптер", "контроллер" (вообще-то понятие контроллера обычно гораздо шире — это любое управляющее устройство). Иногда УС несколько неправильно называют интерфейсом. Если УС ориентировано на системную магистраль, его еще называют платой (картой) расширения. Сути дела выбор того или иного термина не меняет. Задача — сопряжение компьютера с каким-то внешним устройством, прибором, установкой, комплексом, процессом и т.д. И небольшой словарик. Задатчик — активное устройство на магистрали, управляющее обменом в данном цикле. Исполнитель — пассивное устройство на магистрали, к которому обращается задатчик в данном цикле. Асинхронный обмен — обмен информацией в темпе, определяемом быстродействием исполнителя (то есть с ожиданием задатчиком исполнения требуемой операции). Синхронный обмен — обмен информацией в темпе задатчика, без учета быстродействия исполнителя. Установка сигнала — перевод сигнала в активное состояние. Снятие сигнала — перевод сигнала в пассивное состояние. Положительный фронт сигнала — переход сигнала из единицы в нуль. Отрицательный фронт сигнала — переход сигнала из нуля в единицу. Передний фронт сигнала — переход сигнала из пассивного состояния в активное. Задний фронт сигнала — переход сигнала из активного состояния в пассивное. Радиальное прерывание — прерывание, адрес вектора которого определяется только номером линии запроса прерывания. Векторное прерывание — прерывание, адрес вектора которого задается устройством, запросившим прерывание. К персональному компьютеру УС могут быть подключены тремя путями, соответствующими трем типам стандартных внешних интерфейсов, средства которых входят в базовую конфигурацию компьютера: • Через системную магистраль или шину, канал — эти термины равнозначны (в нашем случае это ISA — Industrial Standard Architecture); • Через параллельный интерфейс Centronics; • Через последовательный интерфейс RS-232C. • Через шину USB. Порядок обмена по интерфейсу RS-232C. Интерфейс RS232-C предназначен для подключения к компьютеру стандартных внешних устройств (принтера, сканера, модема, мыши и др.), а также для связи компьютеров между собой. Основными преимуществами использования RS-232C по сравнению с Centronics являются возможность передачи на значительно большие расстояния и гораздо более простой соединительный кабель. В то же время работать с ним несколько сложнее. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами. Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуплексный режим). Компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем для подключения RS-232C. Назначение контактов разъема приведено в таблице. Назначение контактов разъемов интерфейса RS-232C (I — входной сигнал компьютера, O — выходной сигнал) Назначение сигналов следующее. FG — защитное заземление (экран). -TxD — данные, передаваемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная). -RxD — данные, принимаемые компьютером в последовательном коде (логика отрицательная). RTS — сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи. CTS — сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника. DSR — готовность данных. Используется для задания режима модема. SG — сигнальное заземление, нулевой провод. DCD — обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала). DTR — готовность выходных данных. RI — индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по телефонной сети. Наиболее часто используются трех- или четырехпроводная связь (для двунаправленной передачи). Схема соединения для четырехпроводной линии связи показана на рисунке. Для двухпроводной линии связи в случае только передачи из компьютера во внешнее устройство используются сигналы SG и TxD. Все 10 сигналов интерфейса задействуются только при соединении компьютера с модемом. Формат передаваемых данных показан на рисунке 1.9. Собственно данные (5, 6, 7 или 8 бит) сопровождаются стартовым битом, битом четности и одним или двумя стоповыми битами. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определенные интервалы времени. Очень важно, чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковыми (допустимое расхождение — не более 10%). Скорость передачи по RS-232C может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с. Все сигналы RS-232C передаются специально выбранными уровнями, обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи. Отметим, что данные передаются в инверсном коде (логической единице соответствует низкий уровень, логическому нулю — высокий уровень). Для подключения произвольного УС к компьютеру через RS-232C обычно используют трех- или четырехпроводную линию связи, но можно задействовать и другие сигналы интерфейса. Схема 4-проводной линии связи для RS-232C Формат данных RS-232C Обмен по RS232-C осуществляется с помощью обращений по специально выделенным для этого портам COM1 (адреса 3F8h...3FFh, прерывание IRQ4), COM2 (адреса 2F8h...2FFh, прерывание IRQ3), COM3 (адреса 3E8h...3EFh, прерывание IRQ10), COM4 (адреса 2E8h...2EFh, прерывание IRQ11). Форматы обращений по этим адресам можно найти в многочисленных описаниях микросхем контроллеров последовательного обмена UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), например, i8250, КР580ВВ51. Здесь же мы не имеем возможности описывать все возможные режимы их работы. Уровни сигналов RS-232C на передающем и принимающем концах линии связи. Строго говоря, RS-232 — это название стандарта (RS - recommended standard - рекомендованный стандарт, 232 - его номер), описывающего интерфейс для соединения компьютера и устройства передачи данных. Стандарт был разработан достаточно давно, в 60-х годах 20-го века. В настоящее время действует редакция стандарта, принятая в 1991 году ассоциациями электронной и телекоммуникационной промышленности, под названием EIA/TIA-232-E. Тем не менее, большинство людей по-прежнему использует название RS-232, которое накрепко приросло к самому интерфейсу. Лекция № 4. Протоколы микроконтроллеров Продолжительность лекции – 2 часа 4.1 Ключевые (Основные) вопросы (моменты) • Протокол RS-232. • Кодирование в линиях передачи данных. • Передача данных в высокозашумленных средах. • Контроль над передачей телеметрических и управляющих сигналов 4.2 Текст лекции Протокол I2C Разработан в компании Philips и право на его использование стоит денег, но все на это дружно положили и пользуют в свое удовольствие, называя только по другому. В Atmel его зовут TWI, но от этого ничего не меняется :) Обычно при разборе IIC во всех книгах ограничиваются примером с EEPROM на этом и ограничиваются. Да еще юзают софтверный Master. Не дождетесь, у меня будет подробный разбор работы этой шины как в режиме Master так и Slave, да еще на аппаратных блоках с полным выполнением всей структуры конечного автомата протокола. Физический уровень. Данные передаются по двум проводам — провод данных и провод тактов. Есть ведущий(master) и ведомый (slave), такты генерирует master, ведомый лишь поддакивает при приеме байта. Всего на одной двупроводной шине может быть до 127 устройств. Схема подключения — монтажное И INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/i2c-sx.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/i2c-sx.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/i2c-sx.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/i2c-sx.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/i2c-sx.GIF" \* MERGEFORMATINET Рисунок 4.1 Схема подключения по шине I2C. Передача/Прием сигналов осуществляется прижиманием линии в 0, в единичку устанавливается сама, за счет подтягивающих резисторов Резисторы на 10к оптимальны. Чем больше резистор, тем дольше линия восстанавливается в единицу (идет перезаряд паразитной емкости между проводами) и тем сильней заваливаются фронты импульсов, а значит скорость передачи падает. Именно поэтому у I2C скорость передачи намного ниже чем у SPI. Обычно IIC работает либо на скорости 10кбит/с — в медленном режиме, либо на 100кбит/с в быстром. Но в реальности можно плавно менять скорость вплоть до нуля. Ни в коем случае нельзя переключать вывод микроконтроллера в OUT и дергать ногу на +5. Можно запросто словить КЗ и вывести из либо контроллер либо какой-нибудь девайс на шине. Мало ли кто там линию придавит.Вся передача данных состоит из Стартовой посылки, битов и стоповой посылки. Порядок изменения уровня на шинах задает тип посылки. Рисунок 4.2. Передача по тактовому импульсу После старта передача одного бита данных идет по тактовому импульсу (рис.4.2). То есть когда линия SCL в нуле master или slave выставляют бит на SDA (прижимают — если 0 или не прижимают — если 1 линию SDA) после чего SCL отпускается и master/slave считывают бит. Таким образом, у нас протокол совершенно не зависит от временных интервалов, только от тактовых битов. Поэтому шину I2C очень легко отлаживать — если что то не так, то достаточно снизить скорость до байта в минуту и спокойно, обычными вольтметрами, смотреть что у нас происходит. Правда это не прокатит с железным I2C, там нет таких низких скоростей. Отладка по шагам от медленного генератора: • Начало передачи определяется Start последовательностью — провал SDA при высоком уровне SCL • При передаче информации от Master к Slave, ведущий генерирует такты на SCL и выдает биты на SDA. Которые ведомый считывает когда SCL становится 1. • При передачи информации от Slave к Master, ведущий генерирует такты на SCL и смотрит что там ведомый творит с линией SDA — считывает данные. А ведомый, когда SCL уходит в 0, выставляет на SDA бит, который мастер считывает когда поднимет SCL обратно. • Заканчивается все STOP последовательностью. Когда при высоком уровне на SCL линия SDA переходит с низкого на высокий уровень. Рисунок 4.3 Передача «STOP» - бита • То есть, изменение на шине данных в момент приема данных может быть только при низком уровне на SCL. Когда SCL вверху то идет чтение. Если же у нас SDA меняется при высоком SCL, то это уже служебные команды START или STOP (рис. 4.4). Если Slave медленный и не успевает (у EEPROM, например, низкая скорость записи), то он может насильно положить линию SCL в землю и не давать ведущему генерировать новые такты. Мастер должен это понять и дать Slave прожевать байт. Так что нельзя тупо генерировать такты, при Рисунок 4.4 Передача «stop» - и «start» - битов ведущим и ведомым устройствами. отпускании SCL надо следить за тем, что линия поднялась. Если не поднялась, то надо остановиться и ждать до тех пор, пока Slave ее не отпустит. Потом продолжить с того же места.(рис. 4.5) Рисунок 4.5. Работа с медленным ведомым устройством Логический уровень Как передаются отдельные биты понятно, теперь о том что эти биты значат. В отличии от SPI тут умная адресная структура. Данные шлются пакетами, каждый пакет состоит из девяти бит. (рис. 4.6) 8 данных и 1 бит подтверждения/не подтверждения приема. Первый пакет шлется от ведущего к ведомому это физический адрес устройства и бит направления. INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/IIC-SLA.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/IIC-SLA.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/IIC-SLA.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/IIC-SLA.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/IIC-SLA.GIF" \* MERGEFORMATINET Рисунок 4.6. Формат служебного пакета SPI Сам адрес состоит из семи бит (вот почему до 127 устройств на шине), а восьмой бит означает что будет делать Slave на следующем байте — принимать или передавать данные. Девятым битом идет бит подтверждения ACK. Если Slave услышал свой адрес и считал полностью, то на девятом такте он придавит линию SDA в 0, сгенерировав ACK — то есть Понял! Мастер, заметя это, понимает, что все идет по плану и можно продолжать. Если Slave не обнаружился, прозевал адрес, неправильно принял байт, сгорел или еще что с ним случилось, то, соответственно, SDA на девятом такте будет прижать некому и ACK не получится. Будет NACK. Мастер с горя хлопнет водки и прекратит свои попытки до лучших времен. После адресного пакета идут пакеты с данными в ту или другую сторону, в зависимости от бита RW в заголовочном пакете. Вот, например, Запись. В квадратиках идут номера битов. W=0. (рис. 4.7) Рисунок 4.7. Временная диаграмма передачи ведущим ведомому. При приеме последнего байта надо дать ведомому понять, что в его услугах больше не нуждаемся и отослать NACK на последнем байте. Если отослать ACK то после стопа Master не отпустит линию — такой уж там конечный автомат. Так что прием двух байтов будет выглядеть так (R=1): Рисунок 4.8 Повторный страт после неудачной записи Есть еще одно состояние, как повторный старт. Это когда мы не объявляя STOP передаем на шину еще один START. После него мы можем обратиться к другому устройству не освобождая шину. Но чаще идет обращение к тому же самому устройству и это связано с особенностями организации памяти. Организация памяти. Это относится уже не столько к самому протоколу I2C, сколько к заморочкам создателей разных EEPROM и прочих I2C устройств. Арбитраж шины I2C. Почему-то документы, в которых рассматривалась тема протокола IIC как то опасно замалчивают возможность работы двух ведущих на линии. Master-Slave и все тут. А если у нас демократия? И каждый сам себе Master и сам себе Slave? Согласен, редкий случай, но тем не менее, описывать так описывать. Короче, в случае подобного садо-мазо варианта действует железное правило — кто раньше встал того и тапки. В смысле кто первый начал вещать тот и текущий Master. INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/Arbitraj.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/Arbitraj.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/Arbitraj.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/Arbitraj.GIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://easyelectronics.ru/img/starters/IIC/Arbitraj.GIF" \* MERGEFORMATINET Рисунок 4.8 Конфликт при одновременной передаче. Но вот случилось вообще невероятное — два Ведущих начали вещать одновременно (рис.4.8). Как быть? А тут нам поможет свойство монтажного И — где против нуля нет приема. Короче, оба мастера бит за битом играют в простую игру ножик-камень(1 и 0 соответственно). Кто первый выкинет камень против ножика тот и побеждает арбитраж, продолжая вещать дальше. Так что очевидно, что самый важный адрес должен начинаться с нулей, чтобы тот, кто к нему пытался обращаться всегда выигрывал арбитраж. Проигравшая же сторона вынуждена ждать пока шина не освободится. Лекция №5. Функционал измерительных и управляющих устройств вычислительных систем и сетей. Продолжительность лекции – 2 часа 5.2 Ключевые (Основные) вопросы (моменты) • Основные измеряемые параметры в вычислительных системах и сетях. • Способы измерения. • Методы измерения и управления. 5.2 Текст лекции Компьютерные измерительные системы. В настоящее время сформировались новое направление в метрологии и радиоизмерительной технике — компьютерно-измерительные системы (КИС) — и их разновидности, или направление развития, — виртуальные измерительные приборы. КИС обязательно включает в себя компьютер, работающий в режиме реального масштаба времени, или, как теперь принято говорить, в режиме on-line. Персональные компьютеры используются не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. КИС на основе персонального компьютера заменяют стандартные измерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и пр.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов может быть активизирован (воспроизведен) на одном персональном компьютере одновременно. К отличительным особенностям и основным преимуществам КИС по сравнению с микропроцессорными приборами относятся: • обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т.д.); • возможность оперативной передачи данных исследований измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Интернет); • высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой; • возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости; • возможность составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач; • возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений. Структурная схема КИС. В самом общем случае КИС может быть построена двумя способами: с последовательной и параллельной архитектурой. В КИС с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому вся соответствующая электроника размещается на слотах компьютера. Достоинства такой архитектуры построения КИС очевидны: благодаря использованию принципа разделения обработки по времени стоимость системы невелика. В КИС с параллельной архитектурой содержится ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов, и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т.е. объединения сигналов). Подобный принцип построения КИС позволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме. На рис. 5.1 показана обобщенная структурная схема компьютерно-измерительной системы, отражающая как последовательную, так и параллельную архитектуру построения. Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней шины персонального компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер, плоттер), так и измерительная INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/img/baza4/LEKCII28-IIS.files/image038.jpg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/img/baza4/LEKCII28-IIS.files/image038.jpg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/img/baza4/LEKCII28-IIS.files/image038.jpg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/img/baza4/LEKCII28-IIS.files/image038.jpg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/img/baza4/LEKCII28-IIS.files/image038.jpg" \* MERGEFORMATINET Рисунок 5.1. Обобщенная структурная схема компьютерно-измерительной системы схема, состоящая из коммутатора АЦП и блока образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты. С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоге вые сигналы, интерфейсный модуль (ИМ) подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Контроллер устройства обеспечивает подачу аналоговых сигналов с внешних датчиков на узлы системы. Достаточно простые узлы КИС можно разместить на одной плат персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры КИС, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т. е. меняется архитектура построения системы. Одним из элементов КИС является блок образцовых программно-управляемых мер напряжения, частоты и др. В качестве встроенных образцовых мер напряжения в КИС чаще всего применяются стабилитроны, температурный коэффициент напряжения которых составляет около 2,5... 10~5. Наиболее эффективным способом стабилизации опорного напряжения является термостатирование блока стабилитронов. В КИС предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на различные параметры виртуального прибора: дрейф нуля, сопротивление переключателей, коэффициенты передачи различных структурных элементов Непрерывный контроль температуры блоков позволяет автоматически корректировать возникшие погрешности измерения. • Таким образом, компьютерно-измерительные системы имеют следующие преимущества: • практически неограниченные возможности в решении прикладных задач измерений, таких как сбор информации с датчиков в любой последовательности и с желаемой скоростью опроса, управление технологическими процессами и промышленными агрегатами, а также возможность разработки программного обеспечения для конкретных задач измерений; • подключение различных устройств и возможность организации документирования результатов измерений в различных табличных формах и графическом оформлении; • передачу результатов измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям, как это имеет место в сети Internet, и др. Автоматизация измерений достигается сочетанием средств вычислительной техники и измерительных приборов. Задачу автоматизации решают как построением средств измерений со встроенными микропроцессорами, так и созданием автоматизированных систем научных исследований, включающих средства измерений, сопряженные с ЭВМ. Измерительно-вычислительные комплексы допускают гибкое программирование эксперимента и обработки опытных данных, микропроцессорные средства измерений работают по жестким программам, составленным при разработке устройства. Средства измерений и другие элементы в пределах ИВК сопрягаются стандартными интерфейсами. Интерфейс МЭК 625-1 предназначен для создания небольших локальных ИВК на основе выпускаемых промышленностью средств измерений, снабженных интерфейсными картами. Достоинство интерфейса - невысокая цена создаваемых на его основе ИВК. На обращение к одному прибору расходуется до единиц миллисекунд, общее же быстродействие интерфейса определяется главным образом инерционными свойствами измерительных приборов. Передача данных происходит побайтно в асинхронном режиме. Интерфейс КАМАК служит для построения мощных ИВК разной сложности, число крейтов в одной системе может достигать 62. Прием и передача данных осуществляются в параллельном двоичном коде в синхронном режиме, что обеспечивает высокое быстродействие интерфейса. Интерфейс КАМАК допускает подсоединение к крейту цифровых и аналоговых средств измерений и работу совместно с интерфейсом МЭК. Лекция № 6. Измерения и измерительные приборы. Продолжительность лекции – 2 часа 6.1 Ключевые (Основные) вопросы (моменты) • Основные измеряемые параметры в вычислительных системах и сетях. • Измерительные приборы. • Методы измерения и управления. 6.2 Текст лекции Основные метрологические понятия, термины и определения формулируются государственными стандартами. Измерение — это процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных средств. В зависимости от способа получения результата измерения делятся на прямые и косвенные. При прямых измерениях искомая физическая величина определяется непосредственно по индикатору прибора: напряжение - вольтметра, частота - частотомера, сила тока - амперметра. Прямые измерения очень распространены в метрологической практике. При косвенных измерениях интересующая нас величина находится расчетным путем по результатам измерений других величин, связанных с искомой величиной определенной функциональной зависимостью. Например, измерив силу тока и напряжение, на основании известной формулы можно определить мощность: 𝑃𝑥=𝑈∙𝐼 (1.1) Косвенные измерения также часто применяются в метрологической практике. Мера (прибор) — это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. По своему метрологическому значению, по той роли, которую они играют в деле обеспечения единообразия и верности, меры делятся на образцовые и рабочие. Эталон — это тело или устройство самой высокой точности, служащее для воспроизведения и хранения единицы физической величины и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме. Примером точности эталона может служить Российский государственный эталон времени, погрешность которого за 30 000 лет не будет превышать 1с. Физическая величина — это свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины делятся на электрические, магнитные, пространственно-временные, тепловые и пр. Значение физической величины — это оценка физической величины в принятых единицах измерения (например, 5 мА — значение силы тока, причем 5 — это числовое значение). Именно этот термин применяют для выражения количественной характеристики рассматриваемого свойства. Не следует говорить и писать «величина силы тока», «величина напряжения», поскольку сила тока и напряжение сами являются величинами. Следует использовать термины «значение силы тока», «значение напряжения». Единица физической величины — это физическая величина, которой по определению присвоено стандартное числовое значение, равное единице. Измерительные приборы. По принципу действия все измерительные приборы делятся на две группы: - электромеханические приборы, используемые в цепях постоянного тока и на низких частотах; - электронные приборы, используемые в цепях постоянного тока и во всем диапазоне частот. По способу выдачи результата измерительные приборы подразделяются на: - аналоговые (со стрелочным индикатором, самопишущие), показания которых являются непрерывной функцией измерения и измеряемой величины; - цифровые, показания которых образуются в результате автоматического вырабатывания дискретных сигналов измерительной информации, представленной в цифровой форме. Различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения. Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на индикаторе в единицах этой величины. Изменения рода физической величины в процессе измерения не происходит. К таким приборам относятся амперметры и вольтметры. Приборы сравнения (компараторы) служат для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. По назначению приборы делят на рабочие и образцовые. Рабочие приборы предназначены только для измерения во всех областях хозяйственной деятельности. Образцовые приборы служат для поверки и градуирования рабочих приборов. Погрешность измерения образцовых приборов на 1—2 порядка меньше по сравнению с рабочими приборами. Стоимость прибора напрямую связана с погрешностью измерения: если прибор имеет погрешность в 10 раз меньше, то стоит такой прибор в 10 раз дороже. Использовать образцовые приборы для массовых измерений экономически нецелесообразно, поэтому в лабораториях учебных заведений и на производстве применяются в основном рабочие приборы. Классификация измерительных приборов. Электроизмерительные приборы различаются по следующим признакам: - по роду измеряемой величины; - по роду тока; - по степени точности; - по принципу действия; - по способу получения отсчета; - по характеру применения. Кроме этих признаков, электроизмерительные приборы можно также отличать: - по способу монтирования; - по способу защиты от внешних магнитных или электрических полей; - по выносливости в отношении перегрузок; - по пригодности к применению при различных температурах; - по габаритным размерам и другим признакам. Для измерения электрических величин применяются различные электроизмерительные приборы, а именно: - тока — амперметр; - напряжения — вольтметр; - электрического сопротивления — омметр, мосты сопротивления; - мощности — ваттметр; - электрической энергии — счетчик; - частоты переменного тока — частотомер; - коэффициента мощности — фазометр. По роду тока приборы делятся на приборы постоянного тока, приборы переменного тока и приборы постоянного и переменного тока. По степени точности приборы делятся на девять классов:0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4. Цифры указывают значение допустимой приведенной погрешности в процентах. По принципу действия приборы подразделяются на: магнитоэлектрические; электромагнитные; электродинамические (ферромагнитные); индукционные и другие. По способу получения отсчета приборы могут быть с непосредственным отсчётом и самозаписывающие. По характеру применения приборы делятся на стационарные, переносные и для подвижных установок. Измерение постоянных токов и напряжений электромеханическими измерительными приборами Основной единицей измерения силы тока является ампер (А). Ампер — большая единица измерения силы тока, поэтому при электронных измерениях чаще используются дольные единицы: - миллиампер (1 мА = 10-3А); - микроампер (1 мкА = 10-6А). В каталоговой классификации отечественные электронные амперметры обозначаются следующим образом: А1 — образцовые, А2 — постоянного тока, A3 — переменного синусоидального тока, А4 — переменного импульсного тока, А5 — фазочувствительные, А6 — селективные, А7 — универсальные. В электронике требуется измерять силу тока от единиц микроампер до единиц ампер, в диапазоне частот от нуля до десятков мегагерц. Для измерения силы тока в таких широких диапазонах применяются амперметры, различающиеся по принципу работы Исследование форм сигналов Осциллографы относятся к приборам, позволяющим наблюдать форму различных сигналов и измерять параметры этих сигналов. Отличительной особенностью осциллографов является их многофункциональность. Современные осциллографы делятся на электромеханические (самописцы) и электронные (электронно-лучевые) и различаются между собой принципом построения, областями измерения, а часто и типами решаемых задач. В настоящее время для анализа формы сигнала чаще всего используют осциллографы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) - электронно-лучевые осциллографы (ЭЛО). Эти измерительные приборы относятся к наиболее универсальным, и предназначены для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. В настоящее время разработаны и используются различные типы ЭЛО: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, специальные. Лекция № 7. Основы управления в вычислительных системах и сетях. Продолжительность лекции – 2 часа 7.1 Ключевые (Основные) вопросы (моменты): • Разработки и реализации методов измерения управления производителями измерительных и управляющих устройств. 7.2 Текст лекции Основные задачи управления Можно выделить четыре основных уровня управления так, что каждый последующий включает в себя предыдущие: Уровень 1. Поддержание в рабочем (исправном) состоянии отдельных технических средств, когда объектами управления являются как отдельные приборы и устройства, каналы, передатчики, приёмники, блоки каналообразующей и коммутационной аппаратуры, ЭВМ, устройства питания и т.п., так и целиком станции, узлы, вычислительные центры, магистрали и другие пункты и элементы сети связи. Здесь целью управления являются поддержание в норме (регулирование) отдельных параметров аппаратуры (напряжений, уровней сигналов, усиления, частоты, уровня шумов, контактного давления и т.п.) и содержание отдельных устройств и их комплексов в исправности. Уровень 2. Управление доставкой сообщений по адресу (в сети с коммутацией каналов – установлением соединения), когда объектами управления являются коммутационные системы узлов коммутации каналов, сообщений или пакетов. Основной целью здесь будут выбор пути (путей) и создание тракта передачи по приписанным каждому сообщению адресам с обеспечением выполнения дополнительных требований (по приоритету, времени доставки, предоставлению каналов соответствующего качества и т.п.) в соответствии с заданным алгоритмом. Уровень 3. Управление распределением каналов и регулирование потоков сообщений. В этом случае объектами управления являются системы кроссирования (переключения), а основной целью – распределение и перераспределение каналов между вторичными сетями, создание пучков прямых каналов и выработка алгоритмов выбора путей для обеспечения наилучшего удовлетворения в доставке сообщений при изменениях конфигурации сети (выходе из строя отдельных участков или введении новых) или потоков сообщений. В некоторых случаях на этом уровне может быть принято решение об ограничении приема заявок или сообщений определенного приоритета или от определенных пользователей или введения задержек в обслуживании (например, доставка некоторых сообщений в ночное время). Реализация принятых решений может осуществляться на уровне управления доставкой сообщений. Уровень 4. Управление сетью в целом как технико-экономической системой, являющейся частью народного хозяйства или его отрасли и включающей как технические средства доставки информации, средства строительства, ремонта и восстановления, так и персонал, обслуживающий эти средства. Целью этой системы являются не только поддержание функционирования сети в целом и материально-техническое обеспечение этого процесса, но и планирование развития сети, обеспечение подготовки кадров, создание законодательных актов пользования сетью, тарифов, управление услугами и регулирование отношений с пользователями. Независимо от уровня в каждой системе управления выполняются четыре основные функции: - Сбор информации о состоянии объекта управления, ходе технологического процесса, требованиях (заявках, заданиях) к выполнению тех или иных операций (в сети – к доставке сообщений между пользователями и т.п.), а также о состоянии и наличии людских и материальных ресурсов, необходимых для обеспечения заданного развития и функционирования объекта. Эта информация фиксируется и при необходимости документируется (например, в журнале, вводится в ЭВМ…). - Выработка решения о необходимости и возможности изменения состояния системы (сети), приведения объекта в заданное состояние или возможности или невозможности удовлетворения предъявляемых требований (заявок) и подготовка управляющих (регулирующих) воздействий на объект, выработка запросов и заявок, а также определение необходимых ресурсов и способов их доставки к месту работ. Осуществление этой функции связано с анализом полученной и накопленной ранее информации о состоянии оборудования, каналов, запасов и людских ресурсов. При этом используются заложенные в системе управления планы, алгоритмы, инструкции и законы, а также получаемые указания и требования от вышестоящих организаций и пользователей. - Исполнение принятого решения – приведение объекта в нужное (заданное) состояние путём выдачи команд (управляющих или регулирующих воздействий, приказов) исполнительным органам объекта управления или обслуживающему персоналу (например, ремонтному органу), а также выдача пользователям или выдача обслуживающему персоналу информации о невозможности выполнения тех или иных требований (заявок, заданий). - Доставка информации к устройствам управления и от них. В системе управления сетями, c учетом вышесказанного,  можно выделить следующие подсистемы: -  технической эксплуатации; -  административного управления; - технического обслуживания; - управления ресурсами; - управления качеством передачи; - управления сетью как экономическим объектом; - административного управления маршрутизацией и численным анализом; - управления безопасностью; - управления тарифами, начислениями и расчётами; - управления трафиком; - управления измерением и анализом трафика; - управления качеством услуги и характеристиками сети; - администрирования пользователя. Операции управления. Рабочие операции - это действия, необходимые непосредственно для выполнения процесса в соответствии с природой (физические, химические) и законами, определяющими ход процесса производства. Например, технологический процесс напыления на термовакуумной установке или технологический процесс травления пленок. Это операция подачи и закрепления подложки, установки материала и нанесения пленки. Операция управления. Для достижения цели процесса управления рабочие операции должны организовываться и направляться действиями другого рода, называемыми операциями управления. Так в процессе напыления к таким операциям относятся своевременное включение и выключение установки, поддержание заданной величины тока напыления или движение подложкодержателя по определенной траектории. Совокупность операций управления образует процесс управления. Система, в которой осуществляется процесс управления, называется системой управления. В структурном аспекте любую систему управления можно представить взаимосвязанной совокупностью объекта управления, т.е. производственного процесса и управляющего органа. Объект управления называется управляемой подсистемой, а управляющий орган называется управляющей подсистемой. Воздействие окружающей среды называется возмущающим воздействием. Объектом управления могут быть отдельное технологическое оборудование, технологический процесс, бригада рабочих (группа студентов) или рабочий, цех или все предприятие, производственное объединение или отрасль народного хозяйства. INCLUDEPICTURE "http://gendocs.ru/docs/25/24809/conv_1/file1_html_568cff6f.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://gendocs.ru/docs/25/24809/conv_1/file1_html_568cff6f.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://gendocs.ru/docs/25/24809/conv_1/file1_html_568cff6f.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://gendocs.ru/docs/25/24809/conv_1/file1_html_568cff6f.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://gendocs.ru/docs/25/24809/conv_1/file1_html_568cff6f.png" \* MERGEFORMATINET Рисунок.7.1 Обобщенная структура автоматический системы управления. В качестве управляющего органа можно рассматривать устройство или человека, управляющих технологическим оборудованием, технологическим процессом. Управляющим органом является так же мастер цеха, декан факультета, староста студенческой группы и т.д. Любой процесс управления должен быть целенаправленным. Это значит, что управляющему органу должна быть известна цель управления, т.е. информация, используя которую можно определить желаемое состояние объекта управления. Управляющий орган воздействует на объект управления так, чтобы его состояние соответствовало желаемому. Объект управления представляет собой открытую систему, а значит, находится в динамическом взаимодействии с внешней средой. Влияние внешней среды на объект управления, как правило, носит неконтролируемый характер и выражается в случайном изменении его состояния. Воздействие внешней среды на объект управления называют возмущающим воздействием. Поведение любой системы управления определяется целью управления, характером возмущающих воздействий, а также свойствами объекта управления и управляющего органа. Лекция № 8. Управляющие микроконтроллеры. Продолжительность лекции – 2 часа Ключевые (Основные) вопросы (моменты): • Микроконтроллерное управление. 7.2 Текст лекции Основные требования, которые потребители предъявляют к управляющим блокам приборов можно сформулировать следующим образом: • низкая стоимость, • высокая надежность, • высокая степень миниатюризации, • малое энергопотребление, • работоспособность в жестких условиях эксплуатации; • достаточная производительность для выполнения всех требуемых функций. В отличие от универсальных компьютеров к управляющим контроллерам, как правило, не предъявляются высокие требования к производительности и программной совместимости. Выполнение всех этих довольно противоречивых условий одновременно затруднительно, поэтому развитие и совершенствование техники пошло по пути специализации и в настоящее время количество различных моделей управляющих микроконтроллеров чрезвычайно велико. Однако можно выделить некоторые черты архитектуры и системы команд, общие для всех современных микроконтроллеров, это: • так называемая Гарвардская архитектура – то есть раздельные области памяти для хранения команд (программы) и данных. Они могут иметь разную разрядность, в системе команд для обращения к ним предусмотрены различные команды и т.д. • интеграция в одном корпусе микросхемы (на одном кристалле) практически всех блоков, характерных для полнофункционального компьютера – процессора, ПЗУ, ОЗУ, устройств ввода-вывода, тактового генератора, контроллера прерываний и т.д. Поэтому в русскоязычной литературе подобные устройства часто называются однокристальные ЭВМ (ОЭВМ). • Микроконтроллеры обычно классифицируют по разрядности обрабатываемых чисел • четырехразрядные- самые простые и дешевые, • восьмиразрядные - наиболее многочисленная группа (оптимальное сочетание цены и возможностей), к этой группе относятся микроконтроллеры серии MCS-51 (Intel) и совместимые с ними, PIC (MicroChip), HC68 (Motorola), Z8 (Zilog) и др. • шестнадцатиразрядные - MCS-96 (intel)и др. - более высокопроизводительные но более дорогостоящие • тридцатидвухразрядные - обычно являющиеся модификациями универсальных микропроцессоров, например i80186 или i386EX. Четырехразрядные микроконтроллеры. Четырехразрядные микроконтроллеры являются очень простыми и дешевыми устройствами, предназначенными для замены несложных схем на "жесткой" логике в системах с невысоким быстродействием. Типичные случаи применения - часы, калькуляторы, игрушки, простые устройства управления в промышленных устройствах и бытовой технике. Типичные характеристики четырехразрядных микроконтроллеров - • ОЗУ - объем - 16...64 четырехразрядные ячейки; • ПЗУ - объем - 0.5 ...1 К восьмиразрядных ячеек, тип - масочное ПЗУ (наиболее дешевое); • система команд - количество - 30...50; • тактовая частота - 100 КГц...1Мгц; • периферийные устройства - 2...4 четырехразрядных параллельных порта, иногда контроллер жидкокристаллического индикатора; • стоимость - порядка 0.1$ Примеры четырехразрядных микроконтроллеров - отечественные серии KP145BM1405, КР145ВМ1406, КР1834 и т.д. Одним из крупнейших производителей четырехразрядных микроконтроллеров - "Ангстрем" г. Зеленоград (и экспортер в страны Юго-Восточной Азии). Управляющие восьмиразрядные микроконтроллеры семейства MCS-51 фирмы Intel и совместимые с ними. В настоящее время среди всех 8-разрядных микроконтроллеров - семейство MCS-51 является несомненным чемпионом по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии HMOS. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер 8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре 8086. Важную роль в достижении такой высокой популярности семейства 8051 сыграла открытая политика фирмы Intel, родоначальницы архитектуры, направленная на широкое распространение лицензий на ядро 8051 среди большого количества ведущих полупроводниковых компаний мира. В результате на сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю компаниями. Эти модификации включают в себя кристаллы с широчайшим спектром периферии: от простых 20-выводных устройств с одним таймером и 1К программной памяти до сложнейших 100-выводных кристаллов с 10-разрядными АЦП, массивами таймеров-счетчиков, аппаратными 16-разрядными умножителями и 64К программной памяти на кристалле. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства. Основными направлениями развития являются: увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т.п. Все микроконтроллеры из семейства MCS-51 имеют общую систему команд. Наличие дополнительного оборудования влияет только на количество регистров специального назначения. Основными производителями клонов 51-го семейства в мире являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других. В рамках СССР производство микроконтроллера 8051 осуществлялось в Киеве, Воронеже (1816ВЕ31/51, 1830ВЕ31/51), Минске (1834ВЕ31) и Новосибирске (1850ВЕ31). Микроконтроллеры данного семейства выпускаются в PLCC, DIP и QFP корпусах и могут работать в следующих температурных диапазонах: • коммерческий (0°C — +70°C); • расширенный (-40°C — +85°С): • для военного использования (-55°C — +125°С). Примерами микроконтроллеров семейства MCS-51 с расширенными возможностями могут Расширения микроконтроллеров MCS-51/52служить 8XC51FA, 8XC51GB, 80С152. Структурная организация микроконтроллера i8051. Общие характеристики. Микроконтроллер семейства 8051 имеют следующие аппаратные особенности: • внутреннее ОЗУ объемом 128 байт; • четыре двунаправленных побитно настраиваемых восьмиразрядных порта ввода-вывода; • два 16-разрядных таймера-счетчика; • встроенный тактовый генератор; • адресация 64 КБайт памяти программ и 64 Кбайт памяти данных; • две линии запросов на прерывание от внешних устройств; • интерфейс для последовательного обмена информацией с другими микроконтроллерами или персональными компьютерами. Микроконтроллер 8751 снабжен УФ ПЗУ объемом 4 Кбайт. Функциональная схема микроконтроллера семейства 8051. Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой n-МОП технологии. Через четыре программируемых параллельных порта ввода/вывода и один последовательный порт микроконтроллер взаимодействует с внешними устройствами. Основу структурной схемы (рис. 1) образует внутренняя двунаправленная8-битная шина, которая связывает между собой основные узлы и устройства микроконтроллера: резидентную память программ (RPM), резидентную память данных (RDM), арифметико-логическое устройство (ALU), блок регистров специальных функций, устройство управления (CU) и порты ввода/вывода (P0-P3). Арифметико-логическое устройство 8-битное арифметико-логическое устройство (ALU) может выполнять арифметические операции сложения, вычитания, умножения и деления; логические операции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, а также операции циклического сдвига, сброса, инвертирования и т.п. К входам подключены программно-недоступные регистры T1 и T2, предназначенные для временного хранения операндов, схема десятичной коррекции (DCU) и схема формирования признаков результата операции (PSW). Рисунок 8.1. Структурная схема микроконтроллера КМ1816ВЕ51 Простейшая операция сложения используется в ALU для инкрементирования содержимого регистров, продвижения регистра-указателя данных (RAR) и автоматического вычисления следующего адреса резидентной памяти программ. Простейшая операция вычитания используется в ALU для декрементирования регистров и сравнения переменных. Простейшие операции автоматически образуют “тандемы” для выполнения таких операций, как, например, инкрементирование 16-битных регистровых пар. В ALU реализуется механизм каскадного выполнения простейших операций для реализации сложных команд. Так, например, при выполнении одной из команд условной передачи управления по результату сравнения в ALU трижды инкрементируется счётчик команд (PC), дважды производится чтение из RDM, выполняется арифметическое сравнение двух переменных, формируется 16-битный адрес перехода и принимается решение о том, делать или не делать переход по программе. Все перечисленные операции выполняются всего лишь за 2 мкс. Важной особенностью ALU является его способность оперировать не только байтами, но и битами. Отдельные программно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях. Эта способность достаточно важна, поскольку для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевыми переменными, реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определенными трудностями. Таким образом, ALU может оперировать четырьмя типами информационных объектов: булевыми (1 бит), цифровыми (4 бита), байтными (8 бит) и адресными (16 бит). В ALU выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации (7 для данных и 4 для адресов), то путем комбинирования операции и режима адресации базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции. Назначение выводов микроконтроллера 8051. Рисунок. 1. Назначение выводов 8051. Обозначения на этом рисунке: • Uss — потенциал общего провода ("земли"); • Ucc — основное напряжение литания +5 В; • X1,X2 — выводы для подключения кварцевого резонатора; • RST — вход общего сброса микроконтроллера; • PSEN — разрешение внешней памяти программ; выдается только при обращении к внешнему ПЗУ; • ALE — строб адреса внешней памяти; • ЕА — отключение внутренней программной память; уровень 0 на этом входе заставляет микроконтроллер выполнять программу только внешнее ПЗУ; игнорируя внутреннее(если последнее имеется); • P1 — восьми битный квази двунаправленный порт ввода/вывода: каждый разряд порта может быть запрограммирован как на ввод, так и на вывод информации, независимо от состояния других разрядов; • P2 — восьми битный квази двунаправленный порт, аналогичный Р1; кроме того, выводы этого порта используются для выдачи адресной информации при обращении к внешней памяти программ или данных (если используется 16-битовая адресация последней). Выводы порта используются при программировании 8751 для ввода в микроконтроллер старших разрядов адреса: • РЗ — восьми битный квази двунаправленный порт, аналогичный. Р1; кроме того, выводы этого порта могут выполнять ряд альтернативных функций, которые используются при работе таймеров, порта последовательного ввода-вывода, контроллера прерываний, и внешней памяти программ и данных; • P0 — восьми битный двунаправленный порт ввода-вывода информации: при работе с внешними ОЗУ и ПЗУ по линиям порта в режиме временного мультиплексирования выдается адрес внешней памяти, после чего осуществляется передача или прием данных. 9. Список используемых источников 9.1 Основная литература 1. Шонфелдер Г., Шнайдер К.: Измерительные устройства на базе микропроцессора Atmega (+CD)//С.-Пет, . 2014 2. В. Б. Топильский. Схемотехника измерительных устройств— М.: БИНОМ. 2013.  3. С. В. Умняшкин. Теоретические основы цифровой обработки и представления сигналов — М.: Техносфера, 2012. 9.2 Дополнительная литература 1. А. Оппенгейм, Р. Шафер. Цифровая обработка сигналов : Пер. с англ. /— М.: Техносфера, 2012. — 1046 с.: ил. 2. А. С. Бессонов. Технологии программирования последовательных интерфейсов семейства RS-232 в измерительных системах : Учеб. пособие /— М.: МИРЭА, 2011. — 143 с.: ил. — Библиогр.: с. 133-136 (40 назв.)